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摘要高能閃光照相是診斷致密物質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和物理特性的最有效技術(shù).高能質(zhì)子照相在穿透能力、材料識(shí)別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相,已經(jīng)成為美國(guó)先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置的優(yōu)先發(fā)展對(duì)象.文章詳細(xì)介紹了高能質(zhì)子照相方案及其研究進(jìn)展.

關(guān)鍵詞光電子學(xué),質(zhì)子照相,綜述,質(zhì)子加速器,磁透鏡

AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.

Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens

1引言

高能閃光照相始于美國(guó)的曼哈頓計(jì)劃（Manhattanproject）,并持續(xù)到現(xiàn)在,它一直用來(lái)獲取爆轟壓縮過(guò)程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過(guò)材料的傳播過(guò)程、演變和壓縮場(chǎng)的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過(guò)程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對(duì)骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個(gè)顯著特點(diǎn):首先,照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì),要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)行為瞬時(shí)變化,要求曝光時(shí)間足夠短.

目前,世界上最先進(jìn)的閃光照相裝置是美國(guó)洛斯•阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺(tái)相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€(gè)垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個(gè)軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像,不能進(jìn)行多角度多時(shí)刻的輻射照相,獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無(wú)限壓縮,束流打到轉(zhuǎn)換靶上,產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴(kuò)展了束斑直徑,從而使X射線光斑增大.估計(jì)最小的電子束直徑為1—2mm,制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個(gè)角度多時(shí)刻(幅)的輻射照

相,從而獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程圖像.l995年,美國(guó)LANL的科學(xué)家ChrisMorris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器研制計(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長(zhǎng)平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲(chǔ)存環(huán)(PSR)的強(qiáng)脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)短時(shí)間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時(shí)的洛斯•阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人GerryGarvey聽(tīng)到這種意見(jiàn)的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來(lái),利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強(qiáng)度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的快速成像探測(cè)系統(tǒng)［5］.

高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過(guò)測(cè)量透過(guò)客體的射線投影圖像來(lái)獲取.如果輻射衰減長(zhǎng)度過(guò)短,則只有客體外部邊界能夠測(cè)量；如果輻射衰減長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),則沒(méi)有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.

2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制

高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對(duì)質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過(guò)程進(jìn)行分析研究.

所有質(zhì)子都在被測(cè)物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強(qiáng)作用力和電磁作用力［6］.強(qiáng)作用力是短程力,質(zhì)子與核的強(qiáng)作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞,以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動(dòng)量,質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用,會(huì)偏轉(zhuǎn)很大角度,這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器,這部分貢獻(xiàn)可以忽略）；

如果是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說(shuō),損失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí),質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)

其中N0,N分別為入射到被測(cè)物體上的質(zhì)子通量和穿過(guò)被測(cè)物體的質(zhì)子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí),核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因?yàn)橘|(zhì)子在客體中的散射過(guò)程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.

由于質(zhì)子帶電,它也通過(guò)長(zhǎng)程電磁作用力與物質(zhì)相互作用.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)時(shí)，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:

質(zhì)子與原子核的庫(kù)侖力作用稱為彈性散射,穿過(guò)原子核的每個(gè)質(zhì)子,即使和核并不接近,也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化,每個(gè)小散射效應(yīng)可以累積,這種現(xiàn)象叫做多重庫(kù)侖散射.多重庫(kù)侖散射的理論由EnricoFermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫(kù)侖力作用發(fā)生多重庫(kù)侖散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值,可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)

式中p為束動(dòng)量,β是以光速為單位的速度,Ri是材料的輻射長(zhǎng)度,其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)

其中A是原子量,Z是原子序數(shù).多重庫(kù)侖散射的結(jié)果很重要,特別是對(duì)重物質(zhì),最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面,因?yàn)镽i與材料的原子序數(shù)有關(guān),也正是這個(gè)特性使質(zhì)子照相具有識(shí)別材料組分的獨(dú)特能力［7］.

質(zhì)子和電子之間也會(huì)產(chǎn)生庫(kù)侖力作用,通常是非彈性的.因?yàn)殡娮淤|(zhì)量與質(zhì)子相比很小,庫(kù)侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變,而對(duì)質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變.也就是說(shuō),質(zhì)子通過(guò)電離原子(把電子擊出軌道),損失小部分能量.這種作用不會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子運(yùn)動(dòng)方向大的改變,但會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機(jī)制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量,能量損失速率與它的動(dòng)能成反比.質(zhì)子束穿過(guò)厚度為l的材料時(shí)，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí),dT/dl的值幾乎與動(dòng)能無(wú)關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位,則

E=T+1,E2=P2+1.(6)

因此,能量損失引起的動(dòng)量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質(zhì)子通過(guò)物體后損失能量,發(fā)生能量分散.磁透鏡對(duì)不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同,也將導(dǎo)致模糊,這就是所謂的色差［8］.

3質(zhì)子照相原理

質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過(guò)測(cè)量入射到被測(cè)物體上的粒子束衰減來(lái)確定被測(cè)物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).

由于多重庫(kù)侖散射,穿過(guò)被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向,形成一個(gè)相對(duì)于入射方向的錐形束,需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話,質(zhì)子照相的潛力可能永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)掘出來(lái).1995年,Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進(jìn)而消除模糊效應(yīng),最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的觀點(diǎn)的正確性.后來(lái),LANL的另一位物理學(xué)家JohnZumbro改進(jìn)了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,稱為Zumbro透鏡［4］.

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流,實(shí)驗(yàn)客體對(duì)質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散,不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距,導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮,Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個(gè)匹配透鏡(matchinglens),匹配透鏡的設(shè)計(jì)使得入射到被測(cè)物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián),即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且,角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計(jì)有關(guān)［9］.這樣,可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項(xiàng).

剩余的色差項(xiàng)為

x=-x0+Cxθ0δ,(8)

式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫(kù)侖散射角，δ為動(dòng)量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重庫(kù)侖散射角和動(dòng)量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此,為了盡可能減小色差對(duì)空間分辨率的影響,質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價(jià),根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢(shì)以及大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的精度要求,LANL為先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置(AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.

質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨(dú)特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先,質(zhì)子束通過(guò)金屬薄片擴(kuò)散,再經(jīng)過(guò)匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外,還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開(kāi)來(lái),以便覆蓋整個(gè)物體,避免了使用很厚的金屬作為擴(kuò)束器),這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個(gè)負(fù)恒等透鏡組,分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級(jí)成像透鏡組.

TomMottershead和JohnZumbro論證了可以根據(jù)庫(kù)侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個(gè)位置(傅里葉平面),可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開(kāi)來(lái).在傅里葉平面,散射角等于0的質(zhì)子位于中心,散射角越大,半徑越大.離開(kāi)這個(gè)透鏡后,質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個(gè)位置平面放置角度準(zhǔn)直器,可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉,對(duì)允許的角度范圍進(jìn)行積分,得到總質(zhì)子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個(gè)角度準(zhǔn)直器允許通過(guò)的角度范圍為［0，θ1cut］,則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個(gè)角度準(zhǔn)直器允許通過(guò)的角度范圍為［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質(zhì)子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對(duì)比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍,可獲得最佳的圖像對(duì)比度.通過(guò)分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù),可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測(cè)器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計(jì)分布,面密度的測(cè)量精度要達(dá)到1%，則圖像平面上每個(gè)像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104,每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011.如果一次流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)需要獲得12個(gè)角度,每個(gè)角度20幅圖像,則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè).4質(zhì)子照相裝置

質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國(guó)LANL被論證以來(lái),LANL和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯•利弗莫爾（LLNL）以及英國(guó)原子武器研究機(jī)構(gòu)（AWE）合作完成的,直接針對(duì)流體動(dòng)力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題［11］.實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進(jìn)行的小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV）,小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)主要包括:高能炸藥的爆轟特性實(shí)驗(yàn)、金屬和材料對(duì)強(qiáng)沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗(yàn)證內(nèi)爆過(guò)程后期的材料動(dòng)力學(xué)和材料狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進(jìn)行的用于診斷大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的高能質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進(jìn)行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù),驗(yàn)證采用質(zhì)子照相進(jìn)行大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的能力,以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對(duì)于厚的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)客體而言,質(zhì)子照相的質(zhì)量遠(yuǎn)好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)節(jié),需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是,質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過(guò)每秒500萬(wàn)幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)閃光照相設(shè)施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測(cè)器系統(tǒng),圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺(tái)能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺(tái)H-直線加速器注入器,一臺(tái)3GeV的增強(qiáng)器和一臺(tái)50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強(qiáng)器注入50GeV主加速器,經(jīng)過(guò)同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個(gè)子束.最后從多個(gè)方向同時(shí)照射到實(shí)驗(yàn)靶上.質(zhì)子束穿過(guò)實(shí)驗(yàn)靶后,磁透鏡系統(tǒng)對(duì)質(zhì)子束信號(hào)進(jìn)行分類,由探測(cè)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實(shí)驗(yàn).

圖2LANL的質(zhì)子加速器和分束方案

LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達(dá)到50GeV,空間分辨率優(yōu)于1mm,密度分辨率達(dá)到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè),每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達(dá)到1×1011個(gè);每個(gè)脈沖的間隔最小為200ns,質(zhì)子到達(dá)靶的前后誤差不超過(guò)15ns;每個(gè)視軸可連續(xù)提供20個(gè)脈沖,視軸數(shù)12個(gè),覆蓋角度達(dá)165°.這樣,一次流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)可獲得12個(gè)角度,每個(gè)角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計(jì)劃.整個(gè)裝置預(yù)計(jì)投資20億美元,其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備,需要5678.8萬(wàn)美元.裝置的建造時(shí)間需要10到15年,分幾個(gè)階段進(jìn)行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增強(qiáng)器（booster）、4個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年,8—12個(gè)軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來(lái)看,原計(jì)劃2007年前完成的任務(wù)沒(méi)能按期完成.因此,這個(gè)計(jì)劃要推遲.最新的研究計(jì)劃未見(jiàn)報(bào)道.

5質(zhì)子照相與X射線照相的比較

我們通過(guò)與現(xiàn)有最好的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置——DARHT比較來(lái)說(shuō)明質(zhì)子照相的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)［13］.

(1)三維動(dòng)態(tài)照相.由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù),因此,質(zhì)子照相能夠提供多個(gè)時(shí)刻、多個(gè)方向的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過(guò)20幅的圖像,這種多幅能力可得到內(nèi)爆運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像.而DARHT沿一個(gè)軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外,質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶,保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶,需要考慮束斑的影響.

(2)精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強(qiáng),其穿透深度和流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到理想匹配.相比之下,X射線只有在4MeV能量時(shí)才能達(dá)到最大圖像對(duì)比度,此時(shí)其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10.質(zhì)子照相能測(cè)定密度細(xì)微變化的另一個(gè)理由是質(zhì)子散射能得到控制.散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺(jué)上無(wú)背景、對(duì)比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)客體對(duì)X射線形成的大角度散射無(wú)法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質(zhì)子對(duì)密度和材料都比較敏感,可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實(shí)際上,質(zhì)子散射的利大于弊,它能用于識(shí)別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個(gè)相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級(jí)成像系統(tǒng),通過(guò)對(duì)兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對(duì)密度敏感,故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).

(4)曝光時(shí)間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”,每幅圖像可用8—20個(gè)脈沖的時(shí)間進(jìn)行曝光.因此,質(zhì)子照相可任意選定曝光時(shí)間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長(zhǎng)的曝光時(shí)間和間隔,對(duì)較慢的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時(shí),可以縮短曝光時(shí)間.DARHT的脈沖時(shí)間由電路決定,一旦脈沖的時(shí)間間隔和持續(xù)時(shí)間固定,只能以固定的時(shí)間間隔照相,研究人員只能指定第一幅圖像的時(shí)間.

(5)探測(cè)效率高.質(zhì)子是帶電粒子,直接與探測(cè)介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號(hào),因此,很薄的探測(cè)器就能將質(zhì)子探測(cè)出來(lái).如此薄的探測(cè)介質(zhì)接收不到被探測(cè)客體中產(chǎn)生的中子和γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過(guò)樣品打到閃爍體或底片成像,沒(méi)有聚焦過(guò)程(事實(shí)上，對(duì)4MeV的X射線還沒(méi)有聚焦辦法),圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會(huì)引起圖像模糊,但質(zhì)子散射是可控的,可以通過(guò)磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子,而且能減小次級(jí)粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同,也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進(jìn)了透鏡系統(tǒng),消色差提高了圖像品質(zhì).對(duì)于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相,空間分辨率可到100μm,最近的質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)已達(dá)到15μm,并有達(dá)到1.2μm的潛力.

6結(jié)束語(yǔ)

質(zhì)子照相是美國(guó)國(guó)防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國(guó)防基礎(chǔ)研究共同立項(xiàng)，也絕不會(huì)有如今的發(fā)展.雄厚的武器實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的測(cè)量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié),多角度照相有利于建立完整的流體動(dòng)力學(xué)模型,多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時(shí)間變化的情況.近年來(lái),科學(xué)家們加緊了對(duì)高能質(zhì)子照相的研究.目前,X射線照相仍然是流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的主要設(shè)備.總有一天,質(zhì)子照相將代替X射線照相并對(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.

參考文獻(xiàn)

［1］BurnsMJ,CarlstenBE,KwanTJTetal.DARHTAcceleratorsUpdateandPlansforInitialOperation.In:Proceedingsofthe1999ParticleAcceleratorConference.NewYork,1999.617

［2］GavronA,MorrisCL,ZiockHJetal.ProtonRadiography.LosAlamosNationalReport,LA-UR-96-420,1996

［3］MorrisCL.ProtonRadiographyforanAdvancedHydrotestFacility.LosAlamosNationalReport,LA-UR-00-5716,2000

［4］MottersheadCT,ZumbroJD.MagneticOpticsforProtonRadiography.In:Proceedingsofthe1997ParticleAcceleratorConference.VancouverBC,1997.1397

［5］KingNSP,AblesE,AlrickKRetal.Nucl.InstrumMethodsinphysicsresearchA,1999,424(1):84

［6］FishbineB.ProtonRadiographySharper“X-RayVision”forHydrotests.In:TheWinter2003IssueofLosAlamosResearchQuarterly.LosAlamosNationalLaboratory,2003

［7］AufderheideIIIMB,ParkHS,HartouniEPetal.ProtonRadiographyasaMeansofMaterialCharacterization.LawrenceLivermoreNationalLaboratory,UCRL-JC-134595,1999

［8］AmannJF,EspinozaCJ,GomezJJetal.TheProtonRadiographyConcept.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-98-1368,1998

［9］BarbaraB,AndrewJJ.ChromaticallyCorrectedImagingSystemsforCharged-ParticleRadiography.In:Proceedingsofthe2005ParticleAcceleratorConference.Knoxville,2005.225

［10］AndrewJJ,DavidBB,BarbaraBetal.Beam-DistributionSystemforMulti-AxisImagingattheAdvancedHydrotestFacility.In:Proceedingsofthe2001ParticleAcceleratorConference.Chicago,2001.3374

［11］MorrisCL,HopsonJH,GoldstoneP.ProtonRadiography.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-06-0331,2006

［12］ThiessenA.TheAdvancedHydrotestFacilityOverview.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-01-3742,2001

［13］CunninghamGS,MorrisCL.TheDevelopmentofFlashRadiography.In:LosAlamosScience.LosAlamosNationalLaboratory,2003